神农架巴山冷杉天然林凋落物特性的研究

神农架地区的巴山冷杉（Abies fargesii）林是秦巴山地重要的森林生态系统类型，长期以来其在水土保持、水源涵养、林产品供给等方面的生态服务功能受到了广泛的重视，近年来该类森林的生物地球化学循环正成为关注的热点。本文以神农架巴山冷杉天然林为研究对象，从其凋落物的数量、养分、能量3个方面入手，着重研究1)凋落物组成及其凋落量的月变化模式;2)凋落物养分含量及养分年归还量的特征;3）凋落物的能流量及其月变化模式。研究表明： 巴山冷杉天然林的年凋落量为5702.99kg.hm-2，处于亚热带森林年凋落量的范围内;巴山冷杉林的凋落物组成比较丰富，主要有落叶、落枝、球花、球果和其它五部分，其中以落叶为多，占总凋落量的46.00%;凋落量的月变化模式呈双峰型，分别在2006年10-11月和2007年4-5月达到峰值。 巴山冷杉林凋落物养分含量的大小顺序为：N＞K＞Ca＞P＞Mg;N、P、K、Ca、Mg的年归还量分别为：39.1063 kg.hm-2、4.5346 kg.hm-2、13.4367 kg.hm-2、5.4965 kg.hm-2、0.0911 kg.hm-2，以N的年归还量最多;就凋落物各组分的养分年归还量而言，落叶的养分归还量远远大于其余组分的养分归还量，占总归还量的52.65%。因此，不论凋落量还是养分归还量，巴山冷杉林凋落物中的落叶都占有绝对的优势。 在巴山冷杉林凋落物各组分中，干重热值介于20.60 KJ/g 至22.70 KJ/g之间，灰分浓度介于1.38%至5.94%之间，去灰分热值介于21.34 KJ/g至23.55KJ/g之间，充分表明了灰分对热值的影响。在各组分中，无论是干重热值还是去灰分热值，均以落叶的热值最高。从整年来看，落叶的热值在2006年10－11月和2007年6－7月较高。巴山冷杉林通过凋落物的年能流量为 12500.96 KJ.m-2，以落叶能流量最大，占总能流量的47.72%。通过计算凋落物的能流量占太阳有效辐射的百分数可以得出太阳辐射进入凋落物的转化效率，巴山冷杉林凋落物的能量转化效率为0.61%，这在亚热带和热带森林类型中属于中等水平。

内蒙古半干旱温带草原土壤微生物对环境变化的响应

地处干旱半干旱区的我国北方温带草原是欧亚大陆草原生物区系的重要组成部分，对全球变化敏感。土壤微生物在联系生态系统地上和地下部分起着中枢作用，由于其周转速率快，对环境因子变化响应快速，可用来指示短期内环境因子的变化对生态系统的影响。目前关于内蒙古半干旱温带草原的研究主要集中在生态系统地上部分，对地下尤其是土壤微生物对全球变化及人为干扰的响应研究仍然缺乏。本研究选取位于内蒙古多伦县的代表性的半干旱温带草原，通过对多种环境因子变化及人为干扰下土壤微生物量、呼吸、氮可利用性及转化等参数进行测定，旨在探讨全球变化及人为干扰对土壤微生物的影响，为地上植物群落的响应及生态系统地上与地下部分的联系提供机理解释，研究结果如下： 通过研究土壤微生物生物量和呼吸生长季的动态变化，以及它们对地形、火烧、施用氮肥及其交互作用的响应，结果表明，土壤微生物参数在生长季表现出明显的季节变异。土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)分别在坡下比坡上高出14.8%和11.5%。但是，有机碳微中生物量碳的百分比(Cmic/Corg)以及总氮中微生物量氮的百分比(Nmic/Ntot)分别在坡上比坡下高16.9%和26.2%。微生物呼吸(MR)和代谢熵(qCO2)都不受地形的影响。火烧在整个生长季分别提高MBC和MBN29.8%和14.2%，MR和qCO2 则有降低趋势，尤其是在八月份。火烧在坡上提高Cmic/Corg 和Nmic/Ntot，但是在坡下对二者没有影响。氮肥的施用在第一个生长季对所有土壤微生物指标都没有影响。 草原生态中环境因子的空间和时间变异可以影响土壤微生物以及它们对干扰的响应。通过对地形、火烧、施肥进行三年连续处理和观测土壤微生物指标发现，1)土壤微生物参数有明显的年际变异。2)在相对湿润的年份，土壤微生物量在坡下比坡上高，但是Cmic/Corg和Nmic/Ntot 在坡上高于坡下。但在干旱年份里，所有土壤微生物参数都是在坡下高于坡上，且由于地形引起的差异在干旱年份表现更强烈。MBC、MBN、MR 的变异系数在坡上高，表明土壤微生物量和活性在坡下稳定性高。说明了土壤水分含量在半干旱温带草原调节土壤微生物和其稳定性方面起着重要作用。地形对土壤可利用的氮没有影响。3)每年一次的火烧对土壤微生物量、Cmic/Corg、Nmic/Ntot 有正效应但正效应随处理时间延长和处理次数增加而降低。火烧在在第一年内不论在坡上还是坡下都降低MR，但是在干旱年份里，火烧在坡上降低MR，在坡下提高MR。火烧在第二年里在坡下提高了土壤无机氮含量，但在坡上降低了土壤无机氮含量。在第三年，不论坡上还是坡下，火烧使得土壤无机氮含量降低。4)施用氮肥提高土壤无机氮含量，但是它对土壤微生物参数产生负效应，且负效应随着处理时间延长和处理次数的增加而增强。此外，氮肥增加了MBC、MBN、MR的变异系数。 土壤微生物在生态系统碳氮循环中起着关键作用，但是关于氮素添加是否促进或抑制土壤微生物生物量和活动仍然存在争议。在我国北方温带草原的这项研究目的在于探讨土壤微生物沿着一个施氮梯度的响应。本研究设置了每年一次、连续四年的八个水平(0, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 g N m-2以尿素形式施入土壤)N处理。并在第三年和第四年测定了土壤微生物生物量碳、氮、磷、微生物呼吸和代谢熵、土壤无机氮、净氮矿化和硝化。大多数测定的微生物参数都在低施氮处理下有所增加，相反在高施氮处理下降低。在取样测定的两年中，对土壤微生物生长和活动的最适施氮量大致为2 g N m-2 y-1；而施氮的阈值在16 和32 gN m-2 y-1之间，在此阈值之上，土壤pH、微生物生物量、微生物呼吸、Cmic/Corg、Nmic/Ntot 急剧降低，相反，土壤无机氮、净氮矿化和硝化急剧增加。土壤微生物对低施氮处理和高施氮处理的特异性响应(Differential Response)可能是由于微生物碳氮限制的转换、以及高施氮处理下土壤pH值降低的毒害影响而引起的。本研究中观察到的土壤微生物沿着施氮梯度的非线性响应有助于解决不同报道及不同生态系统中氮素添加对土壤微生物影响的争议。 气候变化将显著影响陆地生态系统的碳循环。以2005年4月开始的一项野外控制实验为平台，检验我国北方半干旱典型草原土壤和微生物呼吸以及微生物生物量对试验增温和增加降水的响应。在3 个实验年份内(2005-2007 年)测定了整个生长季节的土壤呼吸、微生物呼吸、微生物生物量碳和微生物生物量氮。结果表明，1)受到降水年际波动的影响，土壤和微生物呼吸以及微生物生物量均存在明显的年际变化。2)实验室内沿着一个水分梯度的培养实验揭示了微生物呼吸对温度的响应受到低土壤水分含量的限制。3)在三年时间内，试验增温引起土壤和微生物呼吸以及微生物生物量的显著降低，说明试验增温通过加剧土壤水分胁迫的间接负效应大于温度增加的直接正效应。试验增温所引起的蒸发散的增加导致土壤水分可利用性减少到某一胁迫阈值(Threshold)之下，并因此抑制了植物生长、根系和微生物活动。4)降水增加显著刺激了土壤和微生物呼吸以及其它微生物参数，而且这种正效应随着时间而增强。研究结果表明：在半干旱温带草原，土壤水分在调节土壤和微生物呼吸以及微生物生物量及其对气候变化的响应方面所起的作用比温度更为重要。比较温带草原土壤呼吸与总初级生产力的相对变化显示，相对于光合碳固定而言，增温导致更多而增雨引起较少的呼吸碳损失。这一发现说明：除非降水增加，气候变暖情形下，我国北方的干旱半干旱温带草原将可能作为一个净的碳源。

内蒙古草原温度梯度上3个典型群落的能量平衡研究

通量测量点的能量收支总是表现出不平衡，即使在地势平坦、植被分布均一、稀疏植被下垫面的情况下也有约30%的能量失衡状况。能量平衡闭合 (EBC) 问题在验证涡度相关系统质量方面，得到了广泛的关注。实验在内蒙古草原3个地点，通过涡度相关系统附近移动能量平衡系统的测定手段，采用能量平衡余项法和最小二乘 (OLS) 线性回归法，研究了土壤热通量、净辐射及可供能量空间变异对能量平衡闭合的影响。 结果显示，EBC 在三个研究点的平均余项为8~19 W m-2，OLS 斜率为0.83~0.96。EBC 在土壤湿润情况的站点要高于干旱站点。 土壤热通量的空间变异三站点平均为白天48 W m-2 (占同时间 Rn 的13%)，夜间15 W m-2 (34%)，平均29 W m-2 (24%)。通过8个工作站的测量，这个变异会造成9% (从0.93到1.01) 的 OLS 斜率差别。夜间的能量平衡不闭合可以由土壤热通量的空间变异解释。如果在本研究的的三个草原站点上忽略了土壤热通量，则会造成较大的余项 (峰值时110 W m-2) 产生，从而使 OLS 斜率增大23%。特别是通量板埋置在地面以下30 mm处时，上层的土壤热储部分占到全部土壤热通量的50%，这不仅影响到 EBC 的大小，更起到调节土壤热通量与“真实的波形” 相一致的作用。如果该部分热储被忽略掉，EBC 余项会增加60 W m-2，OLS 斜率也会变化 (减少) 9%。用大尺度多点测量与涡度塔附近的小尺度测定相比较，后者表现出稍高的闭合率，即 OLS 斜率增加4%。 相对于土壤热通量，净辐射的空间变异较小，三站点平均为白天17 W m-2 (5%)，夜间7 W m-2 (13%)，平均 12 W m-2 (5%)。可以引起3% (从0.88到0.91) 的 OLS 斜率差异。研究结果还表明，风速校正应该在 Q7.1 净辐射仪中应用，校正后的结果与 CNR1 的结果在白天有吻合较好，但在其它时段仍有较大差异，特别是在夜间，风速校正基本不起作用，使得两种仪器间差异达20 W m-2。比较表明，风速校正可以提高白天 Rn 的6%，仅降低夜间0.3%。因此，无论是用余项法还是用 OLS 线性回归法，在比较使用不同仪器的站点间的闭合状况时 (本研究的结果适用于草地 Q7.1 与 CNR1 间的比较)，可以用9：00-15：00 h 时段的数据进行比较，这样可以避免因使用不同仪器的差异所造成的影响。用该时段的数据进行比较，仪器间的差异余项法小于6 W m-2，OLS 法小于3%。 受可供能量空间变异影响，三个站点平均 EBC 的不确定性为白天66 W m-2 (19%)，夜间23 W m-2 (50%)，平均42 W m-2 (36%);或者改变 OLS 斜率11%。用最大值和最小值来衡量，EBC 最大不确定性，正午时在站点 I、II 和 III 中分别为81，114和91 W m-2。故在探讨能量平衡和能量平衡闭合问题时，必须充分考虑到这种不确定性，否则会产生偏差，或者得出错误结论。 研究还表明，即使考虑到白天所有可供能量的最大不确定性，仍然不能使能量平衡闭合。中午 (12：00 h)，站点 I，II 和 III 仍然有14±15，48±12和47±14 W m-2 的失衡不能够归因于可供能量的空间不确定性。因此，其它影响因素也需进行细致的探讨。 在两站点不同测量深度土壤热通量结果的差异性比较实验中，无论在站点 I 还是 III，均表现出一致的结论，即随通量板布置深度加深，其测量结果会越高，与浅层布置的相比，差别可高达150 W m-2。深层土壤热通量的计算仍是个难题，需进一步研究。 在不同植被结构对净辐射测定影响的实验中发现，随刈割强度增加，一天中大部分时间净辐射均减少。正午依次为413，395和388 W m-2。无论正午还是全天合计，重度刈割地点的净辐射均比不刈割对照处理少6%，而且，在整个生长季也少6%，约合40,000 W m-2。测量高度不同，不同处理间对测定结果影响不同：刈割处理中，由于下垫面较均一，结果相差不显著;而对照则表现出较高的差异，用两配对样本T检验表明差异达到极显著 (P<0.000，9:30-15:00 h data)。当使用不同新旧程度的 domes 时，对净辐射结果会产生明显的影响。新 domes 的测量结果白天明显高，晚上明显低，使用了11个月的旧 domes，峰值时，白天低估25 W m-2，晚上高估10 W m-2。说明该差异在进行能量平衡闭合计算时，不能忽略。而全用新的和全用旧的进行比较，晚上仅有2-3 W m-2差异。 考虑生态系统中非生物因子对干扰条件下生物多样性动态和功能的影响，有助于更精确地阐明生物多样性-稳定性功能的关系。为此，设计了一个单因子刈割实验——内蒙古地区一种广泛存在的土地利用方式。主要目的是研究不同强度刈割影响下，微气候变量特别是能量平衡各分量和群落结构的变化及二者的关系。连续4年刈割，占第一位的优势种明显由低矮半灌木冷蒿 (Artemisia frigida) 取代了高大丛生禾草克氏针茅 (Stipa kylovii)。重度刈割下，针茅的盖度、生物量和丛重，群落叶面积、绿色生物量、凋落物量和群落高度一致低于轻度刈割/不刈割处理。微气候由于群落特征的这些变化也呈规律性变化。与对照相比，重度刈割降低了生长季土壤含水量的47.5%，但中午和日均土壤表面温度分别增加了7.4和1.2 °C，并且增加地表下2 cm土壤温度日较差 (日最高与最低温度之差) 4.2 °C。刈割处理由于凋落物少、反射强而表现出较低的净辐射，但土壤热通量显著提高，表现为土层加热和冷却快。因此，重度刈割处理较对照降低了可供能量8%，约合52,000 W m-2 。不同刈割强度间来看，NPP 或 LAI 与土壤热通量和净辐射的比值 (G/Rn) 以及波文比 (H/LE) 间呈负相关。重度刈割处理感热通量显著提高，但潜热通量在处理间差异不显著，表明未刈割处理虽然冠层伸展大，但是并没有导致更大的水分亏缺。未刈割处理增加了抵抗物种改变的能力，而刈割处理在连续一年一割的第四年显著增加了物种数，可能与因刈割影响而导致的群落结构与微气候的改变有关。本研究表明，未刈割处理可以减轻高温干旱季节的高温和干旱胁迫，表现出对环境变化的高抵抗性。未刈割处理的凋落物层和较高的垂直结构所形成的遮荫，可以形成一个阻挡蒸发的篱笆，这是维持其水分的保证。因此，为了恢复退化草原生态系统功能，需要修复能导致微气候变化的植物群落结构，否则难以成功。 本研究立足于原创性的实验研究，在中国特有的自然草原生态系统上开展，结合不同温度梯度的三地区涡度相关系统进行了能量平衡闭合的移动比较实验，以及结合常用土地利用方式的定点能量平衡实验。在翔实的数据基础上，为涡度相关方法的陆地表面能量平衡失衡问题提供了解释。增加了对两个主要能量流——土壤热通量和净辐射空间变异规律的认识，研究对于能量平衡和湍流通量相关研究是有价值的。在三个代表性地区首次利用多个净辐射仪和土壤热通量板的结果与三个标准的涡度相关系统进行了比较，这类量化失衡原因的相关研究应受到高度重视并进一步拓展，以提高对能量失衡的认识，进而推进水热和碳循环研究向更深层次发展。

家畜放牧对典型草原土壤-植被系统氮素转化的影响

草地生态系统中，放牧对调节物质流动和营养循环起着关键的作用。内蒙古地区已有上千年的游牧历史，放牧是该地区重要的草地利用方式之一。然而，近50年来，由于人口的剧增以及对草原的不合理利用与管理，使得内蒙古草原发生了严重的退化与沙漠化。理解放牧对氮循环的定量影响，对我们更合理地利用草地、防治生态系统的进一步退化以及探求最佳恢复途径都具有重要的意义。中国科学院内蒙古草原生态系统定位站精准设置的5种放牧强度处理（0.00, 1.33, 2.67, 4.00, 5.33 羊/公顷）为我们的研究提供了理想的平台。2005、2006年生长季期间，在经过16年不同放牧强度处理的一个典型草原样地上，我们测定了氮素输入（氮沉降、生物固氮）、转化（净氮矿化）、输出（反硝化及氨气挥发）速率等N循环的重要参量。同时，测定了微生物生物量碳、氮（Cmic，Nmic）及微生物呼吸（Rmic），研究了微生物在氮循环中的作用。另外，还测定了植物、土壤、固氮体中的15N自然丰度值，探讨了其对不同放牧强度的响应格局与机理。 结果表明，干湿混合沉降物全氮浓度最高达11.53 mg N l–1，沉降量最高为1.77 kg N ha–1m–1。月均氮沉降量与浓度正相关，它们与降水量均关系密切，前者更密切。结皮面积所占比例很小，不超过8%。结皮含氮量为1.01-1.43 g N kg–1，受放牧的影响不显著，但随放牧强度的增加有降低的趋势。土壤结皮能固氮，但固氮量不超过土壤氮含量的1倍。地耳的固氮量为结皮的10-20倍，故是主要的固氮体。尽管地耳含氮量受放牧影响不显著，但放牧是不放牧条件下地耳氮含量的1.58倍。 土壤NH4+-N浓度随季节变化范围为1.71-9.45 µg N g–1，它们在各放牧处理之间的差异不显著。土壤NO3–-N浓度变幅为0.27-11.21 µg N g–1。总无机氮浓度在不放牧条件下的变幅为2.69-14.57 µg N g–1，占总氮的0.49-2.6%;放牧条件下的变幅为2.49-8.66 µg N g–1，占总氮的0.35-1.21%。总无机氮浓度随季节和放牧强度的变化趋势与硝态氮相似，表现为2005年夏季期间有逐渐增加的趋势，而在2006年整个生长季期间有逐渐降低的趋势。不放牧比放牧条件下含氮量高，但在4个放牧处理之间的差异不显著。净氮矿化速率的变幅为–0.61-0.27 µg N g–1d–1，峰值通常出现在7月。净氮矿化速率在各处理间没有一致性差异，但中牧（2.67、4.00 羊/公顷）通常比重牧（5.33 羊/公顷）下的值高。净氮硝化速率通常很低，波动在–0.32-0.16 µg N g–1之间，2005年夏季及2006年春秋季的值相对较高。净氮硝化速率在各放牧处理之间差异不显著，但重牧条件下的值通常最低。累积净氮转化量在年际间差异大，2005年总体上遵循正态分布模式，而2006年随着放牧强度的增加有直线下降的趋势，2006年比2005年的累积量高。土壤温度和湿度比放牧强度对净氮矿化的影响更加显著。放牧强度通过调节这两个土壤因子对氮动态而产生间接影响。 反硝化和N2O的释放速率低，前者变幅为0.33-6.21µg N kg–1 d–1，后者为0.42-11.28 µg N kg–1 d–1。释放量夏季较强，春秋较弱。放牧对反硝化释放影响不显著，只在2005年对N2O释放影响显著。尽管如此，反硝化和N2O释放速率整体表现出在不放牧比放牧条件下高的趋势，且比最高放牧强度5.33 羊/公顷下的反硝化速率显著高。然而，它们在4个放牧处理之间的差异始终不显著。累积反硝化和N2O释放存在年际变化，2006年的值显著高。它们随着放牧强度的递增有逐渐降低的趋势，这在2006年表现得尤为明显，这种结果主要归因于土壤总氮量在长期放牧条件下随放牧压力的增加而逐渐降低。 氨气挥发速率变幅为0.88-3.52 g N ha–1d–1，高峰值出现在5月，2005比2006年同期的速率大。两年间放牧强度对氨气挥发的影响都较弱，2005年影响更弱。不放牧条件下的氨气挥发量通常最低，这在生长季的前期表现得更为明显，中牧及重牧条件下通常最高。放牧能影响氨气挥发与氨态氮，硝态氮及总无机氮浓度之间的关系，即不放牧条件下相关性显著，而放牧条件下相关性不显著。年际间氨气挥发速率与无机氮浓度之间的关系趋势相反，2005年负相关，2006年正相关。在水分充足的2006年，所有处理条件下氨气挥发与土壤水分及温度之间显著相关，但在单独每个放牧处理下，相关性不显著。 Cmic变幅大，为13.97-350.45 μg C g–1，占土壤总有机碳的1.58-8.35%。最高和最低值分别出现在夏季和春季。它们在各处理间差异不显著，不放牧下的值相对偏高。Cmic与土壤有机C和全N、前期的立枯、凋落量及含N量、优势种前期的地上生物量、根系生物量、土壤温度以及水分之间关系密切。氮素状态如氨态氮、总无机氮含量、反硝化以及N2O释放速率，氨气挥发速率与Cmic之间关系密切。Nmic占土壤全氮的0.41-2.74%，不受季节和放牧强度的显著影响。Nmic与可溶性N，表土层根系全N，立枯有机C，地上生物量之间关系密切。氮循环过程中氨气挥发速率受Nmic的影响。Rmic随季节而变化，通常5月份值最高。Rmic随着放牧强度的增加有稍降低的趋势。Rmic与土壤可溶性C、有机C，不同土层根系有机C，凋落物、立枯量及其C、N含量、全N，地上生物量，优势种前期的生物量，土壤温度之间关系密切。土壤氮循环动态如氨态氮、硝态氮、总无机氮浓度及反硝化速率与Rmic之间关系密切。 土壤、植物、地耳、生物结皮的δ15N值与放牧强度之间相关关系不显著。然而，放牧有增加表层土和植物的δ15N值而降低表土、地耳、结皮的δ15N值的趋势。表层土δ15N值与前一年生长季末期硝态氮及总无机氮浓度，反硝化速率及累积氨气挥发之间密切相关。 土壤碳含量的变幅为10.44-17.19 g C kg–1，全氮量的变幅为0.54-0.82 g N kg–1。长期的高强度放牧降低了土壤碳、氮储量。根系碳、氮含量分别为土壤碳、氮含量的40-50和10倍。立枯和凋落物有机碳含量变幅为446.94-507.01 g C kg–1，与放牧强度之间关系不密切;氮含量变幅为4.58-7.18 g N kg–1，与放牧强度之间显著负相关。优势种木地肤、冷蒿的含碳量与放牧强度之间相关不显著，但含氮量与之显著相关。 综述以上结果，不同放牧强度对内蒙草地生态系统氮循环中不同过程产生影响的程度各不相同，这种影响主要是通过它与土壤环境因子如温度、水分的联合作用而间接产生。